شرح المدارات
لماذا لا تسقط الأقمار الصناعية، وما سرعتها، وكيف تغيّر الصواريخ المدارات، بلغة بسيطة.
ما هو المدار؟
- الأطفال
تخيّل أنك ترمي كرة من قمة جبل عالٍ جدًا. كلما رميتها أسرع سقطت أبعد. وإذا رميتها بسرعة كافية، ينحني سطح الأرض تحتها بالسرعة نفسها التي تسقط بها، فتظل تسقط حول الأرض إلى الأبد. هذا هو المدار. رسم إسحاق نيوتن فكرة «قذيفة المدفع» هذه قبل أكثر من 300 عام.
اختبر نفسك: هل محطة الفضاء تطفو أم تسقط؟
تسقط! طوال الوقت، لكنها تتحرك جانبيًا بسرعة كبيرة فلا تصطدم بالأرض أبدًا.
ما مدى سرعته؟
- الأطفال
على ارتفاع محطة الفضاء الدولية (نحو 400 كم) تحتاج إلى نحو 7.7 كم في كل ثانية. هذا يكفي للدوران حول الأرض كلها في نحو 93 دقيقة، لذا يرى رواد الفضاء نحو 16 شروقًا في اليوم.
اختبر نفسك: كم دقيقة تقريبًا تستغرق المحطة للدوران حول الأرض مرة واحدة؟
نحو 93 دقيقة، أي قرابة ساعة ونصف.
الأعلى أبطأ
- المراهقون
تضعف الجاذبية مع المسافة، لذا يحتاج المدار الأعلى إلى سرعة أقل: v = √(μ/r). أقمار الطقس والتلفاز في المدار الثابت بالنسبة للأرض، على ارتفاع 35786 كم، تسير بسرعة 3.07 كم/ث فقط وتكمل دورتها في يوم نجمي واحد بالضبط (23.93 ساعة)، فتبدو ثابتة فوق نقطة واحدة.
اختبر نفسك: إذا ضُرب r في 4، ماذا يحدث للسرعة الدائرية؟
تنخفض إلى النصف، لأن v تعتمد على 1/√r.
التسارع للصعود
- المراهقون
للصعود إلى مدار أعلى، تشغّل المركبة محركها إلى الأمام. فيتمدد مدارها الدائري إلى قطع ناقص يلامس طرفه البعيد الارتفاع الجديد. وبعد نصف دورة تشغّله مرة أخرى لتجعل المدار الجديد دائريًا. هذه الحيلة ذات الدفعتين هي انتقال هوهمان. من مدار 300 كم إلى المدار الثابت تحتاج إلى نحو 3.9 كم/ث من تغيير السرعة ونحو 5.3 ساعة.
اختبر نفسك: بعد الدفعة الأولى، هل تكون المركبة أسرع أم أبطأ عند أعلى نقطة في القطع الناقص؟
أبطأ: تبادل السرعة بالارتفاع أثناء الصعود، ثم تحتاج إلى الدفعة الثانية.
أنواع المدارات
- كلية المجتمع
المدار الأرضي المنخفض (نحو 160–2000 كم) يضم محطة الفضاء ومعظم أقمار رصد الأرض. المدار المتوسط (نحو 20000 كم) يضم أقمار الملاحة مثل GPS. المدار الثابت يقع فوق خط الاستواء على ارتفاع 35786 كم. المدارات المتزامنة مع الشمس مائلة قليلًا بعد القطبين (نحو 98.2° عند 700 كم) فيدير انتفاخ الأرض المدار مرة كل عام ويمر القمر فوق كل مكان في التوقيت المحلي نفسه، وهذا مثالي لمقارنة الصور.
اختبر نفسك: لماذا تفضّل أقمار تصوير الأرض المدارات المتزامنة مع الشمس؟
الإضاءة متماثلة في كل مرور، فتسهل مقارنة التغيرات على الأرض (الحرائق، الفيضانات، الغابات).
الطاقة: المعادلة الواحدة التي يجب تذكرها
- كلية المجتمع
معادلة فيس-فيفا، v² = μ(2/r − 1/a)، تعطي السرعة في أي نقطة من أي مدار من المسافة r وحجم المدار a. عندما a = r نحصل على السرعة الدائرية؛ وعندما a → ∞ نحصل على سرعة الإفلات، أكبر بمقدار √2 (11.2 كم/ث من سطح الأرض، بإهمال الهواء).
اختبر نفسك: وفق فيس-فيفا، أين تكون المركبة أسرع على القطع الناقص؟
عند أقرب نقطة (الحضيض) حيث يكون r أصغر.
مستعد للمعادلات؟ تابع مع الرياضيات خطوة بخطوة. · جرّبه في مختبر المدارات